一种金属双极板耐腐蚀导电涂层材料及其制备方法与流程

本发明涉及燃料电池，特别涉及一种金属双极板耐腐蚀导电涂层材料及其制备方法。

背景技术：

1、燃料电池是使用氢气作为能源，具有高效环保、比能量和比功率高、启动快等诸多优点，在各个领域具有广泛的应用前景。其中双极板作为燃料电池的关键部件之一，具有支撑电池结构、分配反应气体、收集电流、串联各电池等关键作用，因此其性能好坏制约着燃料电池的商业化进程。

2、目前双极板常用的材料为石墨或金属，而金属双极板因其较好的机械性能、易加工性、无气体渗透、低成本等优点已成为燃料电池双极板主要材料。燃料电池金属双极板一般工作在ph值为2-5、温度为70-100℃的高温高湿酸性环境中，该环境下服役的金属双极板表面通常会发生钝化形成一层致密、导电性差的金属氧化膜，导致金属极板与气体扩散层间接触电阻增大，进而导致电池因欧姆极化产生的电压损失增加，电池输出功率下降，同时双极板中的金属离子因腐蚀释放并与催化剂、膜电极反应，影响电池反应活性及传质，进一步影响电池性能。因此仅靠金属双极板并不能满足燃料电池的使用要求。另外，随着能源、环保、冶金等行业快速发展，对新型涂层材料提出了更多现实的功能需求，单一成分或单一功能的涂层很难满足金属双极板在电堆复杂工况下的性能需求。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提出一种金属双极板耐腐蚀导电涂层材料及其制备方法，旨在实现满足金属双极板在电堆复杂工况下的性能需求。

2、为实现上述目的，本发明提出一种金属双极板耐腐蚀导电涂层材料，包括nimocr体系粉末、ti3sic2粉末、碳纤维以及碳纳米管；其中，所述碳纤维以镍包覆碳纤维复合粉末形式存在，所述碳纳米管以镍包覆碳纳米管形式存在。

3、可选地，所述nimocr体系粉末包括13～17wt%cr，14～18wt%mo，65～73wt%ni；所述ti3sic2粉末添加量为nimocr体系粉末的5～10wt%；所述碳纤维的含量为所述nimocr体系粉末的0.5～0.8wt%，所述碳纤维与所述碳纳米管的质量之比为1:3。

4、可选地，所述nimocr体系粉末中ni、cr、mo粉粒径为19～40μｍ；所述ti3sic2粉粒径为4～10μｍ；所述镍包覆碳纤维复合粉末粒径50～80μｍ，所述镍包覆碳纳米管复合粉末粒径30～50μｍ。

5、可选地，所述镍包覆碳纤维复合粉末以及所述镍包覆碳纳米管复合粉末中的镍碳比均为80：20。

6、为实现上述目的，本发明还提出一种金属双极板耐腐蚀导电涂层的制备方法，包括如下步骤：将金属基板进行清洁预处理；配置涂层粉末，其中所述涂层粉末包括上述的金属双极板耐腐蚀导电涂层材料；将所述涂层粉末进行球磨处理以形成第一混合粉末；将所述第一混合粉末进行预热处理以形成第二混合粉末；将所述第二混合粉末冷喷涂至所述金属基板的表面以形成耐腐蚀导电涂层。

7、可选地，在所述将金属基板进行清洁预处理的步骤中，包括以下步骤：采用sic砂纸对所述金属基板的表面进行打磨；在超声波清洗机中采用丙酮对所述金属基板进行除油清洗处理；其中除油清洗处理时间为20min。

8、可选地，在所述将所述涂层粉末进行球磨处理以形成第一混合粉末的步骤中，包括以下步骤：将所述涂层粉末置于行星球磨机中进行球磨处理以形成所述第一混合粉末；其中所述球磨机采用氩气保护，球料比为5:1，球磨转速为200～250r/min，球磨时间为3～4h。

9、可选地，在所述将所述第一混合粉末进行预热处理以形成第二混合粉末的步骤中，包括如下步骤：将所述第一混合粉末置于电阻炉中200℃保温30min，取出后在室温环境中继续保温30min；将所述第一混合粉末置于电阻炉中200℃保温30min，取出后在室温环境中继续保温30min的步骤循环3次后得到所述第二混合粉末。

10、可选地，在所述将所述第二混合粉末冷喷涂至所述金属基板的表面以形成耐腐蚀导电涂层的步骤中，包括如下步骤：采用冷喷涂工艺，使所述第二混合粉末高速撞击至所述金属基板表面，以使所述第二混合粉末与所述金属基板发生机械结合和局部冶金结合，从而在所述金属基板表面沉积出所述耐腐蚀导电涂层。

11、可选地，所述冷喷涂工艺采用氮气介质喷涂，喷涂压力为5～6.5 mpa，喷涂温度为650-850℃，喷涂距离为10～13 mm，送粉速率为6~8 r/ｓ。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过冷喷涂工艺在金属基板表面制备了耐腐蚀导电涂层，并且优化了涂层材料成分，其中陶瓷材料ti3sic2有效提升了涂层与金属基板的结合强度；碳纤维(cf)与碳纳米管(cnts)都具有良好的导电、导热和防腐特性，通过镍包覆（碳纤维、碳纳米管）复合粉末的形式有效结合了二者的优点，大幅提升了涂层的导电防腐性能。陶瓷相与碳材料的协同作用，不仅提升了导电防腐性能，还提高了涂层的结合强度，进而改善了涂层在燃料电池环境下的耐久性，满足燃料电池金属双极板的使用要求。

技术特征：

1.一种金属双极板耐腐蚀导电涂层材料，其特征在于：包括nimocr体系粉末、ti3sic2粉末、碳纤维以及碳纳米管；其中，所述碳纤维以镍包覆碳纤维复合粉末形式存在，所述碳纳米管以镍包覆碳纳米管形式存在。

2.根据权利要求1所述的金属双极板耐腐蚀导电涂层材料，其特征在于：所述nimocr体系粉末包括13～17wt%cr，14～18wt%mo，65～73wt%ni；所述ti3sic2粉末添加量为nimocr体系粉末的5～10wt%；所述碳纤维的含量为所述nimocr体系粉末的0.5～0.8wt%，所述碳纤维与所述碳纳米管的质量之比为1:3。

3.根据权利要求1所述的金属双极板耐腐蚀导电涂层材料，其特征在于：所述nimocr体系粉末中ni、cr、mo粉粒径为19～40μｍ；所述ti3sic2粉粒径为4～10μｍ；所述镍包覆碳纤维复合粉末粒径50～80μｍ，所述镍包覆碳纳米管复合粉末粒径30～50μｍ。

4.根据权利要求1所述的金属双极板耐腐蚀导电涂层材料，其特征在于：所述镍包覆碳纤维复合粉末以及所述镍包覆碳纳米管复合粉末中的镍碳比均为80：20。

5.一种金属双极板耐腐蚀导电涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的金属双极板耐腐蚀导电涂层的制备方法，其特征在于：在所述将金属基板进行清洁预处理的步骤中，包括以下步骤：

7.根据权利要求5所述的金属双极板耐腐蚀导电涂层的制备方法，其特征在于：在所述将所述涂层粉末进行球磨处理以形成第一混合粉末的步骤中，包括以下步骤：

8.根据权利要求5所述的金属双极板耐腐蚀导电涂层的制备方法，其特征在于：在所述将所述第一混合粉末进行预热处理以形成第二混合粉末的步骤中，包括如下步骤：

9.根据权利要求5所述的金属双极板耐腐蚀导电涂层的制备方法，其特征在于：在所述将所述第二混合粉末冷喷涂至所述金属基板的表面以形成耐腐蚀导电涂层的步骤中，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的金属双极板耐腐蚀导电涂层的制备方法，其特征在于：所述冷喷涂工艺采用氮气介质喷涂，喷涂压力为5～6.5 mpa，喷涂温度为650-850℃，喷涂距离为10～13 mm，送粉速率为6~8 r/ｓ。

技术总结
本发明燃料电池技术领域，具体公开了一种金属双极板耐腐蚀导电涂层材料及其制备方法，包括NiMoCr体系粉末、Ti<subgt;3</subgt;SiC<subgt;2</subgt;粉末、碳纤维以及碳纳米管；其中，所述碳纤维以镍包覆碳纤维复合粉末形式存在，所述碳纳米管以镍包覆碳纳米管形式存在。通过本发明实现满足金属双极板在电堆复杂工况下的性能需求。

技术研发人员：王怀,曹桂军,张阳,王俊浩
受保护的技术使用者：深圳市氢蓝时代动力科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12